15733

15733

بررسي تجربي عملكرد نانوكاتاليست ارزان قيمت بر پايه گرافن نيتروژن دهي شده در پيل سوختي الكتروليت پليمري

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

اسفند ماه 1394

اسفند ماه 1394

دكتر سوسن روشن ضمير - دكتر احمد رهبر

شيمي

چكيده پيل¬هاي سوختي الكتروليت پليمري يكي از مهم¬ترين گزينه¬ها براي جايگزيني سوخت¬هاي فسيلي به¬عنوان منابع انرژي در آينده مي¬باشند. از مهم¬ترين چالش¬هاي پيش¬روي تجاري شدن اين پيل¬هاي سوختي، هزينه¬ي تمام شده¬ي بالاي آن¬هاست كه بخش عمده¬ي اين هزينه¬ مربوط به بكارگيري الكتروكاتاليست پلاتين براي انجام واكنش¬هاي الكتروشيمياي مي¬باشد،كه عمدتا براي واكنش اكسايش اكسيژن (به¬علت سينتيك كند اين واكنش) در كاتد مصرف مي¬شود. براي اين منظور، محققين زيادي مطالعات خود را بر روي الكتروكاتاليست¬هاي جايگزين¬ پلاتين متمركز كرده¬اند. در اين پژوهش از فلز كبالت بر پايه¬ي گرافن نيتروژن¬دهي شده به¬عنوان الكتروكاتاليست در پيل سوختي الكتروليت پليمري استفاده شده¬است. در گام نخست، پايه¬ي گرافن نيتروژن¬دهي شده توسط واكنش سولووترمال سنتز شد. آزمون طيف¬سنجي فوتوالكترون اشعه¬ي ايكس ورود موفقيت آميز نيتروژن به ساختار گرافن و وجود انواع نيتروژن را تاييد كرد. در گام بعدي نانوذرات كبالت، روي پايه¬ي گرافن نيتروژن¬دهي شده ته¬نشين گرديد و با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ¬هاي الكتروني دستيابي به ساختار مورد نظر تاييد شد. متوسط اندازه كريستال¬هاي كبالت در ساختار الكتروكاتاليست سنتز شده، با استفاده از آزمون XRD، 1/10 نانومتر محاسبه گرديد. نتايج آزمون¬هاي ولتامتري چرخه¬اي نشان دادند كه الكتروكاتاليست سنتز شده پيك دانسيته جرياني معادلmA/cm297/1 در محدوده¬ي كاهش اكسيژن دارا مي¬باشد.در ادامه سطح فعال الكتروشيميايي كاتاليست سنتز شده، m2/g43 محاسبه گرديد و با محاسبه¬ي ثوابت سينتيكي شامل ضريب انتقال و چگالي جريان تبادلي به ترتيب 405/0 و A/cm211-10بدست آمد. در انتها با ساخت مجموعه الكترود-غشا، عملكرد الكتروكاتاليست در شرايط واقعي پيل سوختي مورد ارزيابي قرار گرفت و تاثير پارامترهاي دما (با تغيير دما از ºC50 تا ºC80) و رطوبت نسبي (با تغيير رطوبت نسبي از %60 تا %100) بر عملكرد MEAهاي ساخته شده مورد بررسي قرار گرفت. در اين بخش بهترين نتايج در شرايطي حاصل گرديد كه دماي سل ºC80 و رطوبت نسبي %100 براي الكتروكاتاليست (wt%40) Co/NGبود و در اين¬حالت مقادير ولتاژ مدار باز، بيشينه دانسيته جريان ثبت شده و بيشينه دانسيته توان، به ترتيب V75/0،mA/cm2 4/193 و mW/cm22/31 بدست آمد. با مقايسه¬ي نتايج حاصل با نتايج بدست آمده از الكتروكاتاليست پلاتين بر پايه¬ي كربن تجاري (wt%40) الكتروكاتاليست سنتز شده بطور ميانگين حدود 70% پلاتين كربن تجاري از خود فعاليت نشان داده كه رضايت¬بخش مي¬باشد. واژه‌هاي كليدي: پيل سوختي الكتروليت پليمري، مجموعه¬ي الكترود-غشا، الكتروكاتاليست Co/NG، واكنش اكسايش اكسيژن.